PHẦN MỞ ĐẦU Luận về tính cấp thiết của đề tài, có thể thấy trong sản xuất công nghiệp nhu cầu về các bàn tay robot phục vụ cho các nguyên công đòi hỏi độ chính xác và linh hoạt cao nhƣ lắp ráp, phân loại, phục vụ máy công tác là rất lớn. Trên thực tế, các bàn tay robot cũng hỗ trợ những ngƣời khuyết tật trong học tập, lao động để họ có cuộc sống bình thƣờng, chẳng hạn bàn tay Bionic. Trong du hành vũ trụ và không gian các bàn tay robot nổi tiếng nhƣ MARS, Sarah, Canadarm cũng không xa lạ với độc giả của các tạp chí khoa học, cũng từ lâu thuật ngữ kỹ thuật Underactuated trỏ một cơ cấu robot thiếu dẫn động đã quá quen thuộc với các kỹ sƣ, các nhà khoa học nghiên cứu bàn tay phỏng sinh. Bàn tay phỏng sinh là đối tƣợng nghiên cứu của rất nhiều các công trình khoa học trên thế giới, có thể nhận thấy điều này rõ nhất trong các kỷ yếu hội nghị từ khắp nơi trên thế giới, các sản phẩm công nghệ cao tích hợp nhiều công nghệ tiên tiến nhƣ bàn tay chiếm một lƣợng lớn các công bố bên cạnh các nghiên cứu cấp thiết khác nhƣ ô nhiễm môi trƣờng, năng lƣợng và thông tin di động…xu hƣớng chế tạo các máy móc giống con ngƣời theo nghĩa đen đã tạo ra hẳn một thuật ngữ cyborg để chỉ một sinh vật có cấu trúc lai giữa ngƣời và robot trong văn học và điện ảnh Hollywood.
Trong lĩnh vực bàn tay robot, chiếm phần lớn lại là các bàn tay thiếu dẫn động, xu thế này đã đƣợc đề xuất từ những năm 1970 khi nhu cầu về các bàn tay thế hệ thứ nhất phục vụ cho các thao tác ngoài không gian ra đời, ngày càng khéo léo do có nhiều bậc tự do hơn song số lƣợng nguồn dẫn động càng ít đi không những để đơn giản kết cấu mà tiết kiệm năng lƣợng cũng là vấn đề đƣợc đặt ra. Khó hơn nữa khi dẫn động chung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 11 - http://www.vn/ một nguồn chuyển động lại cần có chuyển vị khác nhau của các ngón tay, những bàn tay của đại học Laval hay MIT đã làm đƣợc điều này. Trong lĩnh vực nghiên cứu về các bàn tay thiếu dẫn động thì bàn tay bỏ hẳn nguồn dẫn động là một hƣớng nghiên cứu riêng chƣa có nhiều công bố, một mặt nó chỉ thích hợp cho các thao tác sản xuất công nghiệp loạt lớn hàng khối, mặt khác bị thay thế bởi các công nghệ đắt tiền hơn. Tuy nhiên số lƣợng nghiên cứu về lĩnh vực này còn hạn chế cũng là một nguyên nhân dẫn đến ứng dụng bàn tay không dẫn động độc lập còn ít và thiếu hiệu quả.
Đề tài này với mục đích “Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động độc lập” chính là để điền đầy một phân khúc còn thiếu trong các nghiên cứu về bàn tay robot dẫn động thiếu, đây là vấn đề mà bản thân nó chứa đựng sự cấp thiết đến khi nào chƣa có những bàn tay đạt đến sự hoàn hảo tuyệt đối nhƣ tay ngƣời, hoặc giả với tham vọng quá lớn thì chẳng có giới hạn nào cho những nghiên cứu này đƣợc xem là sau cùng. Mục đích của đề tài là nghiên cứu các cơ chế khóa và tự mở khóa của một kiểu bàn tay tự dẫn động bằng phản lực tƣơng tác mà nguồn lực do các động cơ đƣợc trang bị ở phần cánh tay tạo ra. Đề tài cũng nghiên cứu nhằm thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một bàn tay vận hành theo cơ chế đó để thử nghiệm hoạt động của nó. Đối tượng nghiên cứu của đề tài là phần bàn tay không kể cánh tay và cổ tay, một bàn tay không tích hợp các trang bị điện tử và cảm biến ứng dụng cho sản xuất loạt lớn hàng khối với chức năng cầm nắm các vật thể rắn có hình dạng và kích thƣớc biết trƣớc.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu sáng tạo có kiểm chứng bằng thực nghiệm Ý nghĩa khoa học của đề tài là hoàn thiện các cơ chế làm việc của kiểu bàn tay không sử dụng nguồn dẫn động độc lập. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài bao gồm hai khía cạnh là kiểm chứng sự đúng đắn của ý tƣởng thiết kế và vận dụng các thiết bị của cơ sở đào tạo vào việc chế tạo các cơ cấu của bàn tay robot thực. Nội dung của luận văn bao gồm các phần chính nhƣ sau: - Tổng quan về các nghiên cứu nền tảng có liên quan trong nƣớc và trên thế giới để rút ra nhiệm vụ nghiên cứu; - Đề xuất nguyên lý và so sánh các phƣơng án khả dĩ để lựa chọn một cơ chế hoàn chỉnh cho chế tạo thử nghiệm; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 12 - http://www.vn/ - Tính toán định lƣợng các cơ cấu chính của bàn tay đảm bảo điều kiện làm việc đặt ra; - Các tài liệu thiết kế phục vụ cho chế tạo sản phẩm và hƣớng dẫn vận hành bảo dƣỡng. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BÀN TAY ROBOT 1.1 Chức năng và hình dạng của bàn tay robot Bàn tay robot là một cách gọi căn cứ theo chức năng của mô đun bàn kẹp (grips) là khâu cuối cùng trong chuỗi động học của các tay máy có chức năng cầm nắm.
Thông thƣờng robot công nghiệp có 6 bậc tự do (chƣa tính số bậc tự do của bàn tay) trong khi các bàn tay có kết cấu phỏng sinh học có thể có kết cấu cơ học với số bậc tự do lớn hơn nhiều lần số bậc tự do của bản thân cánh tay. Nhƣ vậy có thể thấy vấn đề thiết kế và điều khiển bàn tay đóng một vai trò quan trọng trong kỹ thuật robot. Sự khéo léo, độ cơ động, hệ số phục vụ của tay máy đƣợc hình thành từ nhiều phần gồm phần cơ sở, cổ tay và bàn tay, nếu phần cơ sở có chức năng cung cấp các chuyển vị lớn thì các thao tác đòi hỏi sự tỉ mỉ lại do cổ tay và bàn tay đảm nhận mặc dù khối lƣợng cơ học của phần này nhỏ hơn nhiều so với phần cơ sở. Nếu nhƣ cổ tay giữ chức năng định hƣớng bàn kẹp là chủ yếu thì bàn tay bằng các ngón tay lại có chức năng cầm nắm (định vị và kẹp chặt vật thể) và thực hiện các chuyển động lựa (điều chỉnh nhỏ) tinh vi.
Có thể nhận thấy một xu hƣớng phát triển của bàn tay theo mức độ tinh vi của thao tác ngày càng tăng từ chổ chỉ có hai ngón với một đốt trên mỗi ngón đến nhiều ngón và nhiều đốt trên mỗi ngón, từ chỗ chuyển vị theo lập trình cứng đến chuyển vị quyết định bởi các cảm biến xúc giác, bàn tay đã dần tới chỗ hoàn thiện hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 13 - http://www.1: Bàn tay với hai ngón và một đốt trên mỗi ngón tay Bàn tay với kết cấu đa dạng tùy theo tác vụ, những bàn tay với mục đích ứng dụng cho nhiều tác vụ cầm nắm thƣờng đòi hỏi có dịch chuyển cơ học lớn giữa hai trạng thái đóng mở để thích nghi với các tình huống khác nhau, trong những trƣờng hợp nhƣ vậy ngón tay thƣờng đƣợc thiết kế nhiều đốt để tăng cƣờng giới hạn chuyển động và sử dụng nhiều nguồn dẫn động để cung cấp cho từng bậc tự do riêng biệt, với các bàn tay đạt đƣợc độ linh hoạt tốt nhất có kết cấu gần giống hay giống hệt với tay ngƣời không thể tránh khỏi kết cấu cơ khí sẽ rất phức tạp, song hành với nó là kết cấu và giải thuật điều khiển cũng sẽ rất phức tạp do số lƣợng trục chấp hành lớn và số động cơ lớn.2: Bàn tay robot MARS với 12 bậc tự do sáu nguồn dẫn động độc lập(trái) Và thiết kế tiền thân của nó (phải) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 14 - http://www.vn/ Để có đƣợc sự độ lập trong thao tác số động cơ dẫn động cần tƣơng ứng với số bậc tự do của bàn tay, cộng với kết cấu cơ học phức tạp làm cho tổng thể bàn tay có thiết kế rất phức tạp.3a: Bàn tay với kết cấu cơ khí phỏng sinh tay người Hình 1.3b: Bàn tay với cảm biến xúc giác phỏng sinh tay người Với ba hệ thống chức năng trong cùng một thiết kế bàn tay gồm hệ thống cơ học có chức năng của khung xƣơng bao gồm khâu và khớp, hệ thống động học gồm các bộ truyền và các động cơ dẫn động cho từng trục riêng biệt, hệ thống cảm biến có vai trò xúc giác việc thiết kế và chế tạo bàn tay robot là lĩnh vực tập hợp những kỹ thuật và công nghệ tiên tiến nhất hiện nay.2 Một số mẫu điển hình trong thiết kế cơ học của bàn tay Với những thiết kế đơn giản nhất cần hai ngón tay với mỗi ngón tay chỉ bao gồm một đốt tay có thể khép mở trong một phạm vi nhất định kiểu luôn giữ độ song song hay tạo với nhau một góc thay đổi, trong đó loại thứ nhất có khả năng cầm nắm tốt hơn.4: Bàn tay hai ngón mở dưới dạng góc Tuy có thiết kế phức tạo hơn song bàn tay với hai ngón mở song song có ứng dụng phổ biến hơn loại nói trên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 15 - http://www.5: Bàn tay với hai ngón luôn duy trì độ song song khi làm việc Ở các bàn tay có nhiều đốt hơn cũng có hai phƣơng thức dẫn động, đó là dẫn động một ngón gồm ba đốt tay chỉ với một động cơ duy nhất tức là số lƣợng động cơ nhỏ hơn số bậc tự do, việc tác động đóng thƣờng đƣợc tác động từ động cơ trong khi chiều mở tác động nhờ thế năng của một phần tử đàn hồi thƣờng gặp nhất là lò xo (hình 1. Loại phức tạp nhất về kết cấu và điều khiển chính là loại dẫn động phân tán triệt để cho từng đốt ngón tay hay số bậc tự do bằng với số lƣợng động cơ tham gia dẫn động, thông thƣờng phƣơng án này đƣợc thực hiện với truyền động đai và bản thân nó cũng có hai phƣơng án khác nhau là sử dụng một hoặc hai nguồn tác động, trƣờng hợp sử dụng một nguồn tác động cần có một nguồn để phục hồi dựa vào thế năng đàn hồi (hình 1.
